Il binario ferroviario è l'infrastruttura alla base di una linea ferroviaria o tranviaria; è una struttura composta da due guide o rotaie su cui transitano treni o tram; le rotaie sono profilati metallici in acciaio montati su una struttura detta traversa per mezzo di sistemi di fissaggio (questo sistema nel suo insieme viene detto armamento); l'armamento poggia sulla massicciata o ballast che funge da fondazione ed è costituito da uno strato di materiali come ghiaia o pietrisco e ha la funzione di sorreggere l'armamento impedendone il movimento e garantendo al contempo una certa elasticità alla struttura.
Struttura Le rotaie sono fissate, affiancate a coppia e parallele, sulle traverse, con un'inclinazione di 1/20 sul piano orizzontale, tramite chiavarde e caviglie; le traverse (in legno, acciaio o cemento) sono annegate nella massicciata, una struttura a sezione trapezoidale di altezza massima di circa 50 cm, composta da brecciame selezionato all'uopo, di dimensione in ogni direzione compresa tra i 25 e 60 mm per le linee ferroviarie e tra i 15 e 30 mm per le linee tranviarie o leggere. Lo scopo della massicciata è quello di ripartire uniformemente i carichi di esercizio dovuti anche al passaggio del treno sulla fondazione stradale in maniera tale da evitare i cedimenti strutturali e di garantire una base non cedevole al binario, grazie alle brecce (a spigoli vivi), le quali, a differenza dei ciottoli, incastrandosi tra loro, si assestano in modo stabile. Il fatto che il brecciame non sia vincolato, ma solo appoggiato, garantisce anche il drenaggio dell'acqua piovana.
Il complesso delle due rotaie e delle traversine viene definito binario, mentre l'intero insieme binario - traversine - strutture di ancoraggio viene definito armamento. Si definisce scartamento la distanza fra le tangenti dei bordi interni dei funghi delle rotaie, presa 14 mm al disotto del piano di rotolamento. Lo scartamento non è universale: nazioni diverse e sistemi ferroviari possono avere scartamenti diversi. In Italia lo scartamento dell'intera rete dello Stato è di 1435 mm, definito in sede internazionale come Scartamento Normale o Standard, ed è direttamente derivato dallo scartamento usato da George Stephenson (4' 8 1/2") per presentare al mondo la prima locomotiva.
Intervia L'intervia è la distanza fra le due rotaie più vicine di due binari attigui, misurata — come tutte le grandezze che riguardano il binario — fra i lembi interni delle rotaie.. Essa differisce dall'interasse, che è invece la distanza fra gli assi dei due binari, per il valore dello scartamento.
Con la sagoma libera europea Gabarit C il valore minimo dell'intervia è pari a 2,12 m. Il valore cresce con la velocità massima ammessa sulla linea: la UIC fissa un'intervia di 2,565 m per le linee percorribili fino a 200 km/h e di 3,065 m per quelle fino a 300 km/h.
In Italia, nelle stazioni in cui siano previste manovre contemporanee sui due binari attigui, l'intervia sale a 3,220 m, così da lasciare un franco libero di 1,40 m che consenta il passaggio in sicurezza del personale addetto.
La rotaia
La rotaia è l'elemento fondamentale del "binario", e di norma ne vengono utilizzate due, anche se esistono treni e tram che viaggiano su una singola rotaia detta monorotaia. Nei casi di due rotaie, queste devono avere la stessa dimensione ed essere posizionate in modo parallelo, cioè sistemate ad una specifica distanza tra loro; tuttavia, in caso di tratte ferroviarie a doppio scartamento, possono essere montate in numero di 3 o 4 per "binario". In qualche raro caso, come nella stazione di Volos in Grecia, sono state montate 4 rotaie, per realizzare un binario a triplo scartamento di 600, 1000 e 1435 mm.. Nella ferrovia leggera di guerra, che collegava Romano d'Ezzelino (VI) con Valle Santa Felicita, le rotaie erano cinque: due per lo scartamento 750 mm per le locomotive a cremagliera e due con lo scartamento 600 mm per i carri, oltre al binario dentato della cremagliera.
Le rotaie odierne sono costruite di acciaio di buona qualità e vengono spesso controllate con gli ultrasuoni per verificarne l'integrità. Prende il nome di «terza rotaia», anche il profilato che non è adibito alla circolazione ma alla fornitura di energia elettrica, montato a fianco dei binari, in caso di trazione elettrica. In Italia, la produzione di rotaie è effettuata nello stabilimento siderurgico di Piombino.
Storia Nel mondo anglosassone si diffusero inizialmente dei binari in legno con una sottile copertura superiore in metallo, noti come strap-iron rails. La fragilità, la manutenzione necessaria e le scarse prestazioni li relegarono tuttavia solo ai casi in cui fosse necessario costruire rapidamente ed economicamente delle nuove tratte.
Le prime rotaie interamente metalliche erano in ghisa, cortissime (una iarda) e montate su grossi dadi di pietra annegati nel terreno. Poiché a causa della fragilità intrinseca della ghisa erano soggette a frequente rottura, vennero presto prodotte in ferro, meno facile a rompersi ma più soggetto ad usura. Con tale metodologia furono costruite anche la Ferrovia Napoli-Portici e la Milano-Monza. In seguito, allo scopo di limitare le frequenti spese di sostituzione, si iniziò a produrre barre di rotaia a doppio fungo montate per mezzo di cunei di legno duro entro apposite piastre di fissaggio a loro volta fissate su traversine di legno. Quando si usurava il fungo superiore venivano ribaltate e rimontate.
In Italia le Officine Ferroviarie di Pontassieve nacquero proprio per produrre tali cunei di legno duro, dato che la Società per le strade ferrate romane usava binari a doppio fungo. Il sistema a doppio fungo, tuttavia, si rivelò solo apparentemente più economico, in quanto in realtà era macchinoso nel montaggio e richiedeva frequenti riaggiustamenti dei cunei di fissaggio: presto entrarono così in circolazione e si affermarono le nuove rotaie a profilo Vignoles.
Fino agli inizi del Novecento le rotaie, in ferro, si deformavano con relativa facilità, e difficilmente potevano reggere velocità superiori ai 100 km/h. Oggi, con l'utilizzo di acciai sempre migliori, si possono realizzare binari speciali in grado di reggere anche velocità di oltre 500 km/h con treni pesanti. A seconda della destinazione d'uso dei binari cambiano i tipi di acciaio di cui sono fatte le rotaie che lo compongono, le loro dimensioni e di conseguenza il peso e la velocità massima ammissibile dei mezzi in passaggio.
Caratteristiche Le rotaie riportano l'indicazione delle proprie caratteristiche. Il primo numero che precede la dicitura "UNI" indica il peso a metro della rotaia. A tale numero e la successiva sigla di norma UNI corrisponde la forma del profilo della rotaia e le caratteristiche del materiale; tale norma soddisfa le condizioni del sistema di classificazione UIC. La rotaia ha impressa nello stelo, o riportata con linea di saldatura, l'indicazione del nome o la sigla del produttore, l'anno di produzione, la classificazione UIC e, con una freccia o con due tratti longitudinali di diversa lunghezza, la direzione di laminazione, dove la sporgenza della più lunga indica la direzione.
In Italia le rotaie sono fabbricate in lunghezze diverse a seconda del tipo UNI. Si hanno perciò le seguenti lunghezze:
21 UNI: 12 m; 27 UNI: 12, 15, 18 m; 30 UNI: 12, 15, 18 m; 36 UNI: 12, 15, 18 m; 46 UNI: 12, 18, 36 m; 50 UNI: 18, 36 m; 60 UNI: 36, 108 m.
Negli Stati Uniti d'America le norme sono differenti, per cui si possono trovare (ad esempio) rotaie da 57 kg/m, 66 kg/m, 67 kg/m, 69 kg/m; si tenga presente che in questo caso le masse sono espresse secondo il sistema imperiale, quindi i pesi precedenti possono essere indicati come 115, 133, 136 o 140 libbre per iarda.
Mentre il sistema normativo UIC-UNI segue una ristretta successione dimensionale normale (serie di Rénard), secondo una "ragione logica" per le caratteristiche di peso, e quindi geometriche e meccaniche, il sistema americano codifica lo stato di fatto dei produttori (in questo caso di rotaie); a loro volta i tipi di rotaie sono raccolte in Classi, le classi prevedono diversi tipi di utilizzo, legate alle tecnologie gestionali delle linee.
Collegamento delle rotaie
I metodi di giunzione delle rotaie hanno subito una lunga evoluzione. Il metodo più semplice, molto usato in passato, prevede l'uso di piastre metalliche con 4 fori dette stecche di giunzione, poste a coppie lateralmente sul gambo delle 2 rotaie da unire e imbullonate mediante chiavarde di giunzione. Nella costruzione dei binari si lascia volontariamente qualche millimetro tra un elemento e l'altro, per permettere al metallo di espandersi quando riscaldato dal sole senza generare sforzi interni o deformare la traccia. Le piastre di fissaggio sono per questo dotate di fori leggermente ovali, per permettere l'adattamento a queste variazioni termiche. La giuntatura avveniva in passato nello stesso punto per ambedue i binari seguendo il modello inglese. In seguito si è passati al metodo americano di giuntarli sfalsati. Il primo metodo aveva la caratteristica di indurre un certo galoppamento dei rotabili in transito, dato che il punto di giunzione tendeva ad abbassarsi, il secondo invece rendeva più stabile al transito tale punto critico (essendocene uno per volta), ma induceva in cambio un vero e proprio ondeggiamento lungo la marcia.
Con questi tipi di fissaggio sui punti di giunzione si creano comunque fastidiose vibrazioni e scossoni e rappresentano un punto di debolezza meccanica della rotaia. Oggi questo metodo viene utilizzato solo per costruzioni di linee e raccordi in grande economia, o mantenuto per forza maggiore su linee di vecchia costruzione.
Attualmente il metodo preferito è quello della saldatura alluminotermica che forma un sistema complesso definito lunga rotaia saldata.
Le lunghe rotaie saldate sono rotaie di lunghezza tale che la loro parte centrale non subisce movimenti per dilatazione o ritiro dovuti alle escursioni di temperatura giornaliere o stagionali; ciò è ottenuto con un forte serraggio degli organi di attacco delle rotaie alle traverse e per l'attrito delle traverse sulla massicciata. Sulle linee di RFI S.p.A. lunghezze di 150 m, per rotaie 50 UNI, e di 200 m, per rotaie 60 UNI, sono le minime per le quali si può ritenere che la parte centrale non risenta dell'effetto delle escursioni termiche. Di conseguenza si considerano lunghe rotaie saldate quelle superiori a tale misura. Le lunghe rotaie saldate in uso sulla rete nazionale sono costituite da un certo numero di sezioni contigue, lunghe ognuna 864 m, composte rispettivamente da 24 o 36 rotaie da 36 m o 24 m, saldate alluminotermicamente. Le sezioni di 864 m vengono saldate tra loro e serrate definitivamente alle traverse alla temperatura di regolazione delle tensioni interne, che per la rete nazionale è di 30 °C e corrisponde alla temperatura media fra una massima sul piano del ferro (piano immaginario che passa per le tangenti dei funghi delle rotaie) di 60 °C e una minima di −10 °C, alla qual media si aggiungono 5 °C. Le lunghe rotaie saldate sulla rete nazionale hanno sviluppi anche di alcuni chilometri; alle loro estremità si montano particolari giunti di dilatazione che hanno lo scopo di compensare senza soluzione di continuità la dilatazione delle rotaie contigue.
Questo tipo di binari, seppur più costoso, è notevolmente più semplice da manutenere grazie anche alle traversine in cemento e all'abbondante uso di pietrisco. Quando è necessario sostituire una parte di binario, tagliandola e saldandone una nuova, i due monconi adiacenti vengono riscaldati e bloccati alle traversine per fare in modo che con le variazioni climatiche non ci siano deformazioni.
Le traverse